Ученые создали новый тип резонансного кремниевого волновода в виде цепочки нанодисков. Такая структура значительно эффективнее собирает и направляет свет от ультратонкой пленки полупроводника селенида индия (InSe), чем обычный волновод: интенсивность излучения на выходе возрастает примерно в 2,5 раза. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.
Современные оптические (фотонные) чипы рассматриваются как один из способов сделать системы передачи и обработки информации одновременно быстрее и менее энергозатратными. В их основе — связка из компактного источника света на кристалле и волновода, который направляет это излучение по чипу. Кремний хорошо подходит для изготовления волноводов для передачи информации в инфракрасном диапазоне, но как источник света он неэффективен, поэтому его комбинируют с материалами, играющими роль компактных источников света.
Одно из перспективных решений — использование экситонных излучателей на основе двумерных материалов. Это ультратонкие кристаллы толщиной в несколько десятков атомных слоев. В пленках селенида индия InSe, например, можно возбуждать «серые» экситоны с дипольным моментом, направленным перпендикулярно плоскости слоя. Именно такая ориентация наиболее благоприятна для эффективного излучения света в волновод.
Ученые из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова реализовали резонансный кремниевый волновод. Его центральная часть представляет собой цепочку из десятков нанодисков высотой и диаметром порядка 200 нанометров, изготовленных на кремниевой подложке по стандартным технологиям. Сверху на эту структуру перенесли тонкую (около 15 нм) пленку InSe. Геометрия нанодисков была подобрана так, чтобы они возбуждали так называемые Ми-резонансы — резонансные собственные колебания электромагнитного поля в и вокруг наночастицы на длинах волн, совпадающих с максимумом фотолюминесценции InSe (примерно 950–960 нм).
При таком подходе сами нанодиски работают как миниатюрные антенны: концентрируют свет около пленки, усиливают процессы испускания фотонов и перенаправляют излучение в нужный оптический канал — вдоль волновода. Для сравнения ученые также изготовили «классический» волновод без нанодисков и нанесли на него пленку InSe той же толщины.
В серии экспериментов при температуре 8 К исследователи измерили спектры микро-фотолюминесценции пленки InSe как в отраженном свете, так и на выходе волноводов через специальные дифракционные решетки. На резонансном волноводе свечение пленки заметно усиливалось по сравнению с участком, где InSe лежит просто на подложке, а при сборе излучения через выходную решетку интенсивность сигнала на длине волны около 950 нм оказалась выше в 2,5 раза по сравнению с обычным волноводом такой же длины.
Численное моделирование позволило оценить, какая доля излучения вообще попадает в волновод. Оказалось, что для резонансной структуры в волновод направляется около 33% интенсивности света, тогда как для стандартного кремниевого волновода этот показатель составляет порядка 13%. Основной вклад в излучение дают именно «серые» экситоны с дипольным моментом, ориентированным перпендикулярно плоскости пленки: их доля достигает почти 90% от всего света, собранного на выходе волновода.
«Нам удалось показать, что правильно спроектированная нанофотонная структура на кремнии способна фактически “связать” двумерный полупроводник и интегральный волновод. Мы не просто усиливаем свечение пленки, но и эффективно загоняем этот свет в нужный канал на чипе», — говорит руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Рахлин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН.
По словам исследователей, такие гибридные структуры могут стать основой для компактных источников света на чипе, которые будут сочетаться с существующими технологиями производства кремниевой электроники. В дальнейшем авторы планируют уменьшать потери в волноводе за счет перехода к другим материалам, таким как нитрид кремния, а также исследовать возможность работы в режиме одиночных фотонов, используя вместо InSe другие двумерные полупроводники.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
